换热器出口温度控制系统设计

1、过程控制综合实践换热器热水出口温度控制系统设计小组成员:指导教师:目录一、被控对象的系统分析41.1、.被控对象的工艺流程41,锅炉工艺流程：42,换热器冷水工艺流程：43、监控点和被测点分析51.2、.控制需求（阐述控制系统的设计目标）51,锅炉控制要求52,换热器控制要求51.3、象特性分析（特点、扰动及难点）51,锅炉特性分析52,换热器特性分析63、调节阀特性分析74、变频器特性分析8二、控制系统分析和设计92.1、.被控变量、操纵变量、扰动变量的选择91、换热器的相关变量选择92、锅炉对象的相关变量选择102.2、.控制回路、控制算法的设计101 .换热器串级控制方框图102、锅炉简

2、单回路控制方框图112.3、I/O表（包括控制的仪表位号、名称、输入、输出信号）11三、控制系统设备选型与电气控制图绘制111 .控制系统设备选型112 .电气控制图绘制131、P&ID图（根据控制方案绘制工艺管道与控制流程图）132、仪表盘或控制柜布局图、端子排和配电装置接线图等13四、组态王监控软件的详细设计144.1、.计算机及设备通讯141、工业网关ADAM4571勺配置142、亚当ADAM40174024、4050配置及I/O口的检测153、组态王与亚当模块的连接164、设备连接故障检测174.2、.人机界面的建立181、画面的建立182、工艺流程画面183、实时和历史曲线的

3、建立194、调节器控彳的使用214.3、.变量定义和数据记录表格221、变量定义222、数据表格224.4、.报警记录设计23五、控制系统仿真研究245.1、锅炉仿真部分245.2、换热器仿真部分25六、系统投运及参数整定271、锅炉温度控制系统投运与参数整定272、换热器控制系统投运与参数整定28七、实验结果分析291、不同控制器参数对控制品质的影响292、实验结果293、控制系统性能分析30八、实验分工、感受和文献资料318.1、实验分工318.2、实验感受318.3、考文献：31被控对象的系统分析1.1、被控对象的工艺流程生蹿秋或QSKH&七觇器:工号&号U-U-切*MB

4、FCQtn!*MBFCQtn!- -1,锅炉工艺流程：(1)用泵1或者泵2给锅炉注水锅炉泵1注水：大水箱一泵1一换热器/电磁阀一锅炉锅炉泵2注水：大水箱一泵2一电动阀一锅炉(2)锅炉内热水循环工艺流程锅炉一泵1一换热器冷进一换热器冷出一锅炉WlTlfSTElOl世曲被位部H Hr艾51015101而,iiT内用可run?、柝卜褴卜，小小TLIU3生多器，：思vTHMn阳曲WI“1J!.tfti71l也炉或位快限快LS1O2璃.I木/潍m.Tini申水箱,融uTin:兄郁液LIIOJ大储水箱内SWETE即5qj喝轮前址浒TinI-4*港一水8(引普内用力PT划一电承&爵忤丁11亡就水泵开

5、关XQl(K2,换热器冷水工艺流程：大水箱一泵2一电动阀一换热器热进一换热器热出一大水箱备注：换热器上热进热出与冷进冷出标签贴反，但是对应的控制柜监测点没有反。3、监控点和被测点分析监控点备注TEL101检测点检测锅炉内温度TEL103监测点检测换热器出口温度PT101监测点检测支路2管内压力FV101控制点控制冷进水流量DR101控制点控制加热量1.2、控制需求（阐述控制系统的设计目标）1,锅炉控制要求锅炉控制要求是通过不断改变加热器电压使锅炉内水温保持恒定。锅炉内的水温变化是换热器控制系统的一个扰动，而且锅炉内的水经过换热器之后又以低于锅炉内水的温度而回到了锅炉内造成锅炉内水的温度不断下降

6、，因此，锅炉控制系统的控制要求就是尽量使锅炉水温保持一个恒定值，这样换热器的扰动就会尽可能的小了。2,换热器控制要求换热气的控制要求是通过改变换热器的冷水流量而使换热器热水出口温度保持一个恒定值。换热器冷水的流量是一个输入量，由于冷水的流量和温度会不断发生变化，所以使换热器出口温度保持恒定就需要对冷水的流量做相应的审级控制，使流量尽可能维持在相应的稳定值范围内1.3、象特性分析（特点、扰动及难点）1,锅炉特性分析温度系统是一个有滞后的系统，而A-3000上的锅炉控制系统除了有滞后之外它的散热量比较小，因此散热扰动比较小。A-3000锅炉控制系统还有一个特点，那就是在一定的加热量之下它的炉内温度

7、会一直上升，因此它的控制系统模型不能用一阶惯性加纯滞后去模拟。在A-3000与换热器组成的换热系统之中由于锅炉内的水是不断循环的，因此锅炉控制系统的扰动主要是进水的温度，此控制系统的难点是需要根据对对象的实际操作去感受控制器PID参数的设计，仿真得出的数去与实际系统有一定偏差。实验利用不同的加热电压加热锅炉，得到数据，加热电压不同对应的加热速率不同，记录不同加热电压对应不同的加热速率（如下表），拟合出加热电压与加热速率的特性曲线（如下图）。锅炉特性数据电压（V）095190250380加热速率00.00120.03840.07820.1660锅炉对象曲线:根据锅炉的特性曲线建立锅炉对象模型为积

8、分环节，由此得出加热速率k=1e-6*+2e-5*x;又因为加热速率是温度关于时间的导数，即Dy/Dt=k:由以上两式得到锅炉广义对象的传递函数是：G（S）=0.0124/s+0.0046/2,换热器特性分析换热器控制系统也是一个温度控制系统，换热器系统通过改变冷水流量来实现对换热器热出口温度的控制，这个系统的特性可以用一节惯性加纯滞后去模拟锅炉加热电压与加热速率曲线T 一系列1多项式（系。换热器控制系统的扰动有热水进口温度，冷水进口温度，冷水压力等，其中主要扰动时冷水的进口压力，此控制系统的难点就是必须的做一个审级系统用来克服主要扰动对控制品质的影响。在保持锅炉温度恒定的情况下，选择不同的冷

9、水流量，记录换热器热出口温度，不同的冷水流量对应不同的冷却速率，记录不同的冷水流量下对应的冷却速率（如下表），拟合出不同冷水流量对应的冷却速率（如下图）。相关数据：换热器特性数据冷水流量（m3/h）0.530.770.941.131.261.31冷却速率0.72870.64840.60680.54560.51090.5659G(s)=0.2968/80s+1。3、调节阀特性分析电动调节阀的特性分析：利用百特表手动状态下，给电动调节阀不同的电流输入信号，从4mA开始每次增加2mA直到20mA在不同电流信号下，对应不同的阀门开度，从而对应不同的流量，记录不同电流下的阀门开度及流量（如下表），拟合出

10、阀门开度与流量之间的特性曲线（如下图上行程与下行程拟合后的曲线）相关数据：电动阀流量特性数据电流（mA468101214161820阀门开度（%012.52537.55062.57587.5100上行程（m3/h）000.510.841.051.37下行程（m3/h）1.371.361.370.5800从电动阀流量特性曲线可知：阀门特性为快开型。理论上电动调节阀与换热器共同构成了广义对象，分析广义对象的传递函数时，应将二者一同分析，但是考虑到利用simulink仿真，且控制方案为审级控制系统，多以要将电动调节阀的传递函数，给电动调节阀阶跃，得到阶跃

11、响应，从而得到传递函数，Gs）=0.27,相当于比例环节。4、变频器特性分析变频器的特性分析： 利用百特仪表手动状态下， 使变频器的频率由小到大增加， 直到50Hz,记录不同频率下对应的流量，分别记录上行程和下行程（如下表），得到上行程和下行程拟合出的曲线（如下图）。相关数据：变频器特性数据艾频百万频率（Hz）05101520253035404550上行程流量（m3/h）0000.060.320.410.470.520.580.640.70下行程流量（m3/h）0.700.650.590.530.480.430.330.13000变频器流量特性:由图像可知，该变频器的流量特性与频率成非线性，实

12、验时需考虑在不同频率下，变频器调节泵的频率不同而使得流量的变化影响。二、控制系统分析和设计2.1、被控变量、操纵变量、扰动变量的选择1、换热器的相关变量选择我们的主要控制变量，当然也是我们要求的控制变量为换热器的热水出口温度，故被控对象当然为换热器，但有对象分析可得，其中换热器对象的较大扰动为其冷水的进口流量，冷水的进口温度，以及热水的进口流量和热水的进口温度等。其中以热水的进口温度和冷水的进口流量扰动最大，故小组初步选定以换热器热水出口温度对冷水进口流量的审级控制，再另外设计一简单控制回路来控制系86420286420..0.0.hr3mhr3m量流-换热器热水

13、进口的温度进而平衡热水温度的扰动被控对象：换热器主被控变量：换热器热水出口温度副被控变量：换热器冷水进口流量操纵变量：换热器冷水进口流量扰动变量：换热器热水进口流量，换热器热水进口温度2、锅炉对象的相关变量选择为了平衡换热器的热水进口流量扰动，我们设计了一单独的简单控制回路来控制锅炉的水温进而可以控制住换热器热水进口的水温一达到平衡扰动的目的。被控对象：锅炉被控变量：锅炉水温操纵变量：加热器电压扰动变量：锅炉的进水水温，进水流量，出水流量2.2、控制回路、控制算法的设计1.换热器用级控制方框图TC:温度控制器FT:流量变送器TT:温度变送器FC:流量控制器102、锅炉简单回路控制方框图TC:温

14、度控制器TT:温度变送器2.3、I/O表（包括控制的仪表位号、名称、输入、输出信号）变量名变量描述变量类型寄存器名连接设备a#a#F换热器冷水出口流量I/OAI0ADAM4017温度T1锅炉炉内水温I/OAI2ADAM4017温度T2换热器热水出口温度I/OAI3ADAM4017PID0_MV调节器0的操作值I/OAO0ADAM4024PID1_MV调节器1的操作值I/OAO1ADAM4024PID2_MV调节器2的操作值I/OAO2ADAM4024详细的变量定义见组态王相关内容三、控制系统设备选型与电气控制图绘制1.控制系统设备选型根据A3000系统的相关仪器及相关计算可得:11器件相关参数

15、备注锅炉温度00-1000精度1。泵1泵2电压220v型号：20PLB(R)18-20(Z)频率50Hz额定流量18L/min扬程10m输入功率280w电流0.03A电容8uf绝缘等级F电磁阀工作电压24VDChttp/07/pwfalosq功率5w频率60Hz换热器设计压力0.6Mp产品编号：2005-114设计温度150换热面积0.24m2加紧尺寸54mm流量组分1*5/1*5变送器工作电压24VDC型号：FB0803AEZL出厂编号：06030040最大工作压力5.0Kg扬程02.5Kg输出420mA精度0.25122 .电气控制图绘制1、P&ID图（根据

16、控制方案绘制工艺管道与控制流程图）图形符号K3至与比节M由 也“屏m mJJJLJJJLINNtNt字/代号单一七本 M点支工号t t卦1专著1也C牌F王L号也1 15.5二下二GQ1GQ1;41工=任拦士二喧二;X X享（：.?2、仪表盘或控制柜布局图、端子排和配电装置接线图等JULJUL背面背面一1可13炉房A30A300 0口渴恁年技制成玲亲就d d 四、组态王监控软件的详细设计4.1、计算机及设备通讯1、工业网关ADAM457的配置A3000上的百特仪表和亚当模块都是通过ADAM457俅连接到计算机上通讯的，首先进行工业网关4571与计算机的通讯，使用EDGComportConfigu

17、rationUtility和PortMappingUtility软件对4571进行配置，配置概要如下：为设备配置IP地址和连接，定义A3000系统的IP地址为3,然后配置电脑的IP地址为：3，选择用口参数：COM5,RS48刚特率为9600bps,无校验位，数据8位，停止位1。14使用软件PortMappingUtility对虚拟用行口进行配置，选择对应COM5口对应A3000-3设备，即在软件的相应位置键入对应的IP地址即可2、亚当ADAM40174024、4050配置及I/O口的检测(1) ADAM4017勺配置与检测利用软件ADAM4000Utilit

18、y对4017模块进行配置，打开软件后在COM阴找到相应的软件进行配置之后可见到4017的输入模块界面，利用百特仪表对4017的输出口进行检测，利用百特仪表的手动状态下设置输出值为4mA12mAK20mA(因为模块的量程为4-20mA),在电脑上打开4017的输入界面后分别在4017的输入口输入上述值观测界面中的显示值， 如果显示着和输入值相同，则说明该输入口正常，否则说明该输入后不正常。具体检测结果如下：通道AI0AI1AI2AI3AI4正常是否是否是是是15(2) ADAM402酌配置与检测亚当ADAM4024勺配置和4017的配置大致相同，4024为输出模块，同样利用百特仪表进行模块通道检

19、测，在电脑4024模块的界面中同样输入4mA12mA和20mAt值，将百特仪表和亚当模块的输出口相连接，观测百特仪表的显示值，如果显示值与输入值相同则说明模块通道正常，否则说明该通道不正常。具体检测结果：通道AO0AO1AO2AO3正常是否是是是是(3) ADAM405的配置与检测ADAM4050亚当数字量输入输出模块，软件配置同4017和4024,检测同样利用百特仪表，在输入和输出通道分别输入一定的高低电压，分别在软件上显示来检测输入通道，在百特仪表上显示来检测输出电压。同理，显示相同则说明模块正常，否则说明模块不正常。具体检测结果如下：通道DO0DO1DI0DI1正常是否是是是是3、组态王

20、与亚当模块的连接组态王与亚当模块的连接主要是在组态王中建立与亚当模块的控制窗口，简单设置如下： 在组态王软件中设备栏新建设备， 端口为COM5q,设置选择智能模块中的亚当模块，注意选择数据位：8,停止位：1,通讯方式为：RS48516设置串口设置串口 YOMYOM5 5MMMM在设备运行中或是连接中可能会出现设备连接不上的故障，具体检测步骤如下：(1)首先检查电脑的IP地址和设备的IP地址，检测电脑是否能和其他电脑相连接，及检测电脑与交换机之间的网络是否正常，利用ping语句实现。(2)检测设备的通讯是否正常，及重启设备观察是否能连接上。(3)观察软件是否配置正确。V V控制学控制学; ;从从

21、ModenATModenAT控制享控制享: :ModerFi 使用使用ModMod，17(4)检查网络连接是否正常，即检查A3000设备箱的网络连接是否通讯正常4.2、人机界面的建立1、画面的建立在组态王中新建画面后进入画面的编辑界面，简单建立如下：打开组态王后选择文件中的画面后选择先建即可建立。2、工艺流程画面进入画面编辑界面后在工具栏选择工具箱，进行画面编辑:均HB B183、实时和历史曲线的建立(1)实时曲线的建立在工具箱中选择实时曲线后在画面中建立实时曲线，双击进入实时曲线的编辑窗口。19non.上水箱in-II中水箱稿稿找热器找热器医卜水箱diJlQIh.00JlQIh.00热出温度

22、热出温度0I0J000I0J00(2)历史曲线的建立在图库中选择历史曲线的图标，后双击进入历史曲线的编辑界面:(18吐9D7?.nD7?.nU&GJU&GJUS5,EUS5,E(111.1(111.1uuu.uuu.u ukJL.I.kJL.I.E E; ;EUGI ILJI.JLJI.J匚口：:口HITHIT。豺.3.3匚 jjjax.jjax.匚：ZJZJ，T |T|T t t干叶干f f不LLJ-ILLJ-I*1J*1JAJ_IAJ_ILLa aTFIR9FIR9 TTTT”ECSaiCiMi:ZDCCECSaiCiMi:ZDCCJfllJfllE E:T:rWET:rW

23、E一：亡|.二reLreLrt FrFrrnmrriuminmmmmmmmirimrnmmrrmr什型ft*F淞ifthBII: :II茴riiem-L-Wft我宿II里本站白及外工I,，i iftft 1 1W飞由皓方庭联|由台TW-itiM场U日liD.204、调节器控件的使用我们的整个控制使用的组态王内部的PID控件，在工具箱中找到Kingviewpidcontrol即可选择相应的控件，我们一共使用了三个PID控件SP000.00SP000.00MV：OOQ.OQFV000.00具体的调节器连接见下图:序性制工拉盘壁3TFUATy*五珀日munsrHUM工咕点踹酎:，YCVTBL3AI由

24、加诂宜住rrovI ITPTP LOtTGLCMUF*睢BEULF=11trT:1rl.3GLlrlJLILILI IFUAT-L-LJ JILILJ JHLm蜉FUATI二putLa,FIZIATHgt心心KWATOQtpitLwF1JQAT际PLW11LQHG均巨性屋，二嘎T Tit加密隹1事件i i二工_H3FLO*川工玷中一衣?WTJ拉阳1：*主跳目4皿/lyp*JIMJIMLferlPi4UHUH“dhyk即lE-r&OL1FiLlqrlir*加CtrlLcsiitlh$FLDftr.trlLi,*1Llxi*F10*TInpvtlb亦FLlWIrupnitL4H5LDJLT

25、ELMw.aiLfl，FUW即加rlrl一定明消21g我 M 性I平片a a于除此甲a aTlTl M Me值印，asrrvrv1WI-A 赤口占端阳匚IQUTTDDM-3；应R占nyTEEICJKjClili/11*1了立通HCk?4tAh因皿FiLtin弱C CH HILILLNLNdtizL.TLCJJCtrlLmiTlTl M MTlXMTlXMInpmlLwrUDATtkilgi.Jbchru/rTUUTftrwAiTi心nlnlE4.3、变量定义和数据记录表格1、变量定义电理勒仁二渣21A10匾睛1都二冷值22ADML7装却破2323口就而口就而出号”,任M%D0SF度能耀总冠25

26、专二工F吃番货途榜总比埠第就寻畏述说P P嚓瞅_5廊墨打熊用建MADAADAU UADO电亚卵航举腔.屋:得即4mAOC0期即1Fct明乳A0WW241风埠片赛霞任鼻曲煮出愧室桂森J3扫2、数据表格数据记录表格采用数据库自动生成表格模式记录数据，通过ODB嗷据源建立连接，在组态王控制界面中输入一定的命令语句即可实现数据的自动记录， 其中还包括了表格模板和记录体的建立。简单建立如下：22宜野健号步宇总归LL画画在画面命令窗口中输入下述语句即可:启动时：SQLConnect（xieyi,dsn=data;uid=;pwd=）;SQLCreateTable（xieyi,数据记录表格,moban）;运

27、行时：SQLInsert（xieyi,数据记录表格,jiluti0）;因为我们是对温度的控制，所以我们小组锅炉温度和换热器热水出口温度设置了报警限，报警界面如下：23手双力了日讨翔一io-,建定长书索二分池年，-昆厚工川】E1 1口屿|股白数据表格如下:4.4、报警记录设计设定了当锅炉温度低于20度或是高于90度时即进行报警，同时进行报警记录；当换热器热水出口温度低于25度，高于50度是即实现报警，并同时进行报警记录五、控制系统仿真研究5.1、锅炉仿真部分加热速率k=1e-6二+2e-5x;又因为加热速率是温度关于时间的导数，即Dy/Dt=k:由以上两式得到锅炉广义对象的传递函数是：G(S)=

28、0.0124/s+0.0046/产其中P=60%,I=30s,D=70s.由simulink仿真得：仿真曲线为:24ScopeToWorkspace由此得出超调量：6%=(66.29-50)/50*100%=32.58%;上升时间：=60s;A5%调节时间：=556s;峰值时间：、=125s;延时时间：1=37s:由于采用PID算法所以余差：=0:5.2、换热器仿真部分由此得到换热器传递函数：G(s)=0.2968/80s+1由simulink仿真得：25由此得出超调量：6%=(1.53-1)/1*100%=50%;上升时间：-=1000s;A5%调节时间：k=12288s;峰值时间:=252

29、4s;延时时间：.=1020s:由于采用PID算法所以余差：%=0:26六、系统投运及参数整定1、锅炉温度控制系统投运与参数整定1、运行环境：锅炉液位：80%h(h为锅炉最高液位)变频器：10Hz0.2968Gainl锅炉进出水循环流量：0.06mA3控制目标温度：60度2、参数整定：经验凑试法：K=25Ti=3sTd=1s3、投运：(1)现场管路，设备(锅炉，泵1等)连接，锅炉水位调至80%h(2)机柜端口及亚当与组态王连接，锅炉温度端口-AI2电热丝-AO0(3)机柜上电，运行组态王监控程序(设定值60或61,手动状态)(4)启动泵1,频率10Hz(5)输出值接近设定值时切换到自动状态投运

30、结果:272、换热器控制系统投运与参数整定1、副控制器(流量控制器)参数整定：经验凑试法：K=10Ti=8sTd=0s2、主控制器(温度控制器)参数整定：经验凑试法：K=20Ti=3sTd=5s3、投运：(1)现场管路，设备(换热器，泵2,水箱等)连接(2)机柜端口及亚当与组态王连接，冷水流量F-AI0换热器热出温度T2-AI3调节阀-AO1(3)机柜上电，运行组态王监控程序(锅炉温度设定值60,手动状态，主控制器热出设定值33,手动状态，输出值10)(4)启动泵1,频率10Hz(5)输出值接近设定值时切换到自动状态(6)炉温稳定后，启动泵2,开始换热。(7)热出温度接近设定值时，主控制器切为手动投运结果：28七、实验结果分析1、不同控制器参数对控制品质的影响锅炉温度控制系统：增益K增加使余差减小，控制作用增强，但稳定性变差。Ti增强余差减小，Td作用的加入可以可以有效减小温度滞后的影响。换热器温度控制系统：流量控制器：采用PI控制。流量变化较快，采用比例作用可快速控制。加入积分消除余差。温度控